способ переработки избыточного активного ила, содержащего тяжелые металлы

Формула изобретения

1. Способ переработки избыточного активного ила, содержащего тяжелые металлы, включающий сгущение ила, смешение его с материалами, содержащими соединения кальция, перемешивание с последующим разделением фаз и выделением тяжелых металлов, отличающийся тем, что в качестве соединений кальция используют малорастворимые сульфат или карбонат кальция в виде природных минералов или отходов промышленности, смешивают при соотношении 5 - 15 частей материала на 100 частей ила, перемешивают в течение 3 - 6 ч при 6 - 30^oС, разделяют твердую и жидкую, содержащую тяжелые металлы, фазы методом отстаивания, и/или центрифугирования, и/или фильтрования.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадии смешения и перемешивания проводят до сгущения ила.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что тяжелые металлы из жидкой фазы выделяют методом реагентного осаждения, или ионного обмена, или адсорбции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам переработки избыточного активного ила биологических очистных сооружений очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы. Трудность переработки и утилизации подобного ила состоит в содержании в нем значительных количеств тяжелых металлов, исключающее использование обезвоженных илов в сельском хозяйстве в качестве [1]: органо-минеральных удобрений, сырьевого источника для производства белкововитаминных добавок к корму животных и птицы, для получения аминокислот и т.д.

Известны способы переработки избыточного активного ила [2] путем уплотнения или сгущения, в том числе отстаиванием, центрифугированием, фильтрованием, обезвоживанием с последующим направлением на иловые площадки или в шламонакопители. Обезвоживание ила протекает очень медленно, что обусловливает большие площади иловых площадок и шламонакопителей. Необходима стабилизация осадков путем кислотного или щелочного анаэробного сбраживания для предотвращения загнивания и появления неприятных запахов. При высоком содержании в активном иле тяжелых металлов его подвергают сжиганию в камерных, многоподовых или других печах.

Для проведения сжигания используют осадки после длительного обезвоживания на иловых площадках или в шламонакопителях. Образующаяся зола, содержащая тяжелые металлы, может использоваться при производстве строительных материалов или захоранивается. Недостатками методов являются: необходимость использования иловых площадок больших площадей, сложность аппаратурного оформления процессов, возможность загрязнения атмосферы продуктами горения, затраты энергии. Практически не используется ценное органическое вещество ила.

Наиболее близким к заявляемому является способ переработки активного ила с использованием материалов, содержащих соединения кальция, например, смесей карбида и оксида кальция [3]. Для превращения ила в хрупкий твердый продукт, лишенный запаха, его сначала сгущают до влажности 90%, затем тщательно смешивают 20-30 частей указанных материалов со 100 частями активного ила в закрытых аппаратах, что приводит к разогреву смеси ила и введенных материалов по меньшей мере до 120^oC, к выделению газов и паров. В качестве материалов для переработки используют смесь карбида кальция с регенерированным оксидом кальция или смесь свежих веществ. Перемешивание осуществляют до достижения pH 11, уменьшая количество патогенных микроорганизмов в иле. Газы и пары удаляют до остаточной влажности менее 5%. Получают горючий продукт значительно меньшей массы. Твердый продукт термически обрабатывают с разложением гидроксида кальция до оксида, тяжелые металлы при этом переходят в инертную золу. Распылением легкую золу оксида кальция отделяют от твердой фазы тяжелой инертной золы, которую вывозят на свалку.

К недостаткам способа относятся: сложность технологии переработки, необходимость затрат дорогих реагентов или энергии на их частичную регенерацию, применение закрытых аппаратов, образование больших объемов паров и газопылевых выбросов, уничтожение при сжигании органического вещества активного ила.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии выделения тяжелых металлов из ила с последующим использованием органического вещества ила в сельском хозяйстве.

Технический результат достигают тем, что избыточный активный ил после сгущения с влажностью 90-92% смешивают с материалом, содержащим малорастворимые соли кальция - CaCO₃, CaSO₄ nH₂O, в виде природных материалов или отходов промышленности, например, мела, известняка, гипса, фосфогипса при соотношении 5-15 частей на 100 частей активного ила, перемешивают в течение 3-6 часов при температуре 6-30^oC. Далее разделяют твердую и жидкую (водную), содержащую тяжелые металлы, фазы методами отстаивания, и/или фильтрования, и/или центрифугирования.

Или активный ил смешивают и перемешивают с материалом, содержащим малорастворимые карбонат или сульфат кальция до сгущения ила.

Водную фазу, содержащую тяжелые металлы, направляют на реагентное осаждение гидроксидов металлов, или на ионообменное, или на адсорбционное извлечение тяжелых металлов.

При смешении активного ила и кальцийсодержащих материалов не изменяется pH жидкой фазы, который составляет 5-8. При указанных условиях микроорганизмы активного ила адсорбируются на введенных материалах, используют их для питания, при котором происходит замена в структуре микроорганизмов тяжелых металлов на кальций. Тяжелые металлы переходят в водную фазу в виде растворимых солей или коллоидных гидроксидов. Экспериментально подтверждено, что при проведении перемешивания менее 3 часов не происходит глубокого выделения тяжелых металлов и остаточное содержание их в активном иле в расчете на сухое вещество превышает содержание их, отвечающее требованиям, предъявляемым к активному илу сельским хозяйством [4], [5]. Увеличение продолжительности процесса более 6 часов незначительно увеличивает степень извлечения металлов, но возрастают затраты на проведение процесса.

При смешении сгущенного активного ила с влажностью 90-92% с кальцийсодержащим материалом степень перехода тяжелых металлов в водную фазу, обеспечивающая требуемое остаточное содержание их в сухом веществе активного ила, достигается только за 5-6 часов. Однако объем сгущенного ила меньше объема несгущенного ила на 30-50% и, соответственно, меньше объем аппаратуры. При смешении с кальцийсодержащим материалом ила до сгущения при его влажности до 96% возрастает скорость перехода тяжелых металлов в водную фазу вследствие более благоприятного соотношения жидкость: твердое в смеси. Кроме того при сгущении активного ила часть микроорганизмов погибает, что отражается на выделении тяжелых металлов.

Уменьшение соотношения материал : активный ил менее 5:100 приводит к сокращению адсорбционной поверхности для микроорганизмов и скорость выделения металлов уменьшается. При соотношении более 15:100 разделение фаз требует больших затрат энергии и сопровождается значительным захватом жидкой фазы с переработанным илом. Согласно экспериментальным данным при температурах ниже 6^oC и выше 30^oC скорость выделения тяжелых металлов уменьшается и для обеспечения требуемой степени извлечения необходимо увеличение продолжительности перемешивания в 1,5-3 раза, что приведет к существенному увеличению объема аппаратуры и расхода энергии на перемешивание.

Значительное увеличение концентрации тяжелых металлов в водной фазе после переработки ила - до нескольких десятков или сотен мг/дм³ - обеспечивает применимость для извлечения металлов из водной фазы реагентного осаждения, например, при использовании известкового молока, соды, для создания pH на уровне 7-9. При указанных концентрациях тяжелые металлы могут быть выделены из водной фазы методами ионного обмена, например, на ионите КУ-2 или с помощью сорбентов типа сульфоуглей, цеолитов. При регенерации ионитов или адсорбентов промывкой кислотными растворами в регенерационных растворах концентрация металлов возрастает до граммов и десятков г в литре, что существенно упрощает их утилизацию. Обьем водной фазы после предлагаемой переработки ила на порядок меньше, чем обьем исходной сточной воды.

Для экспериментов были отобраны пробы избыточного активного ила Новгородских городских очистных сооружений. Состав образцов активного ила приведен в конце описания.

В качестве исходных кальцийсодержащих материалов использовали:

- природный гипс измельченный с содержанием 95% CaSO₄ 2H₂O;

- фосфогипс с размером частиц в среднем 80 мкм в виде капиллярно пористого материала с фиксированной структурой с диаметром пор 0,1-1,5 мкм с содержанием,%: CaSO₄ 2H₂O - 95, Ca(H₂PO₄)₂ - 4, CaF₂ - 1;

- мел измельченный с содержанием CaCO₃ - 96%.

Для анализа содержания тяжелых металлов в твердой и жидкой фазах использовали атомноабсорбционный спектрофотометр "Сатурн" и спектрофотометр фирмы "Перкин-Элмер". Для определения концентрации тяжелых металлов в сухом веществе активного ила твердую фазу высушивали при 106^oC до постоянного веса. Результаты опытов приведены в примерах и таблице.

Пример 1. Сгущенный фильт-прессованием активный ил с влажностью 91% смешивают с карбонатом кальция в виде мела при соотношении 10:100, перемешивают в течение 6 часов при 20^oC и pH 6. Через 6 часов проводят разделение фаз центрифугированием. Твердую фазу высушивают и анализируют. В твердой фазе находят, мг/кг сухой массы: железа - 1820, цинка - 510, меди - 460, никеля - 24, хрома - 110, кобальт и свинец отсутствуют. Такой ил пригоден для использования в сельском хозяйстве [4]. Водную фазу обрабатывают содой до pH 8,5, тяжелые металлы выпадают в осадок в виде гидроксидов, который отделяют отстаиванием и захоранивают, а оставшуюся водную фазу возвращают на биохимическую очистку сточных вод.

Пример 9. Активный ил до сгущения с влажностью 96% смешивают с сульфатом кальция в виде гипса при соотношении 5:100, перемешивают в течение 6 часов при 20^oC. Через 6 часов проводят сгущение. Сгущенный ил разделяют на фильтр-прессе на твердую и жидкую фазу, содержащую тяжелые металлы. В твердой фазе находят содержание тяжелых металлов, мг/кг сухой массы: железа - 2906, цинка - 960, меди - 580, никеля - 47, хрома - 145, кобальта - 7, свинца - 0. В водной фазе концентрация металлов составляет, мг/дм³: цинка - 15, меди - 24,4, железа - 87, никеля - 9. Водную фазу нейтрализуют известковым молоком до pH 8,5. Тяжелые металлы выпадают в осадок, который отделяют отстаиванием. Масса влажного осадка тяжелых металлов составляет менее 0,05% массы исходного избыточного активного ила. Осадок подвергают захоронению.

Пример 12. Активный ил до сгущения с влажностью 96% смешивают с сульфатом кальция в виде фосфогипса в соотношении 15:100, перемешивают в течение 6 часов при 20^oC, затем сгущают. Сгущенный ил центрифугируют. В твердой фазе определяют содержание тяжелых металлов, мг/кг сухой массы: железа - 900, цинка - 320, меди - 350, никеля - 16, хрома - 95, кобальта и свинца по 1. Такой ил пригоден для использования в сельском хозяйстве [4]. Водную фазу, содержащую, мг/дм³: цинка - 13, меди - 40, железа - 118, никеля - 14 пропускают через слой ионита КУ-2 и извлекают на 96%. Очищенную воду возвращают на очистку. Ионит подвергают обработке раствором серной кислоты, концентрат солей тяжелых металлов, объем которого менее 0,1% объема исходного ила, захоранивают или утилизируют.

Таким образом предложенный способ существенно проще, так как проводится в открытых аппаратах, исключены стадии термической обработки, выделения газов и паров, сложная стадия разделения твердых фаз. Органическое вещество активного ила может быть использовано в сельском хозяйстве.

Список использованной литературы:

1. Науака О., Ватанабе Н. Хоккайдо коге дайгаку кэюкие. - Met. Hokka ido Inst. Techn. 1990, N 18, p. 269 - 280.

2. Туровский И.С. Научно-технический прогресс в области обработки и утилизации осадков сточных вод. - М.: ОНТИ АКХ, 1986.

3. Патент США 5242601, С 02 P 1/52, 07.09.93.

4. Туулиннен Суокко. Курсы по очистным технологиям сточных вод.- Санкт-Петербург: 21-23.09.93. Главное управление водного хозяйства и окружающей среды. - Хельсинки; 1993, с. 109-111.

5. Сан ПиН 2.1.7.573-96.